叶陈彬1 郑文峰2 陈崯泉1
1国网宁德供电公司，福建 宁德 352100 2国网福安供电公司，福建 福安 355000
摘要：近年来，配电网一二次设备融合是配电设备标准化、集成化发展的趋势。电网智能化需要将一次设备升级为智能电力设备，二次设备需要同时升级为智能控制单元。互感器是一二次融合高低压的分界点，二次设备馈线终端FTU进行配电网故障判断和数据上传，其稳定性、可靠性、准确度对配电网的安全起着至关重要的作用。一二次融合后二次设备工作在一次设备产生的高温、高压、强电磁干扰环境中，二次元件又都是电子元器件，设备测量准确度受到较大影响，易引起二次设备误动、拒动、准确度下降、死机等问题。本文搭建雷电冲击电压试验平台，针对雷电冲击电压干扰配电网一二次融合成套开关设备问题进行试验测试，得出雷电冲击电压对其测量准确度的影响程度，并设计了一套抗干扰测量系统，采集互感器的波形数据进行时频域分析，得到干扰一二次融合成套开关设备测量准确度的原因，提出在馈线终端采集单元基准端加保护器件和互感器二次输出端加滤波器这2种防护方案，并进行理论分析和试验验证。
关键词：雷电冲击电压；一二次融合；测量准确度；电磁干扰；二次设备；电压互感器
引言：为解决一二次融合成套开关设备中二次设备受电磁干扰影响所导致的准确度问题，设计了一套抗干扰测量系统，并基于雷电冲击电压试验电路和抗干扰测量系统对配电网一二次融合成套开关设备测量准确度进行雷电冲击电压干扰测试，采集电压波形并进行时频域分析，得到导致其测量准确度下降的原因。提出在馈线终端采集单元基准端加保护器件和互感器二次输出端加滤波装置这2种防护方案，并对方案的效果进行理论分析和试验验证。结果表明，雷电冲击电压将通过互感器传至二次设备，使得互感器二次侧产生较高的耦合电压，其试验实测幅值达几千伏，频率在几MHz至30MHz之间，对互感器的准确度影响较大；通过在互感器二次出线端口增加高频滤波装置能有效降低耦合电压，干扰信号强度降低为原来的20%左右，比差和相差降低为原来的40%左右。
1雷电冲击电压对一二次融合成套开关设备测量准确度的影响
1.1试验测试方案试验
接线示意图如图1所示，图中升压变压器对标准电压互感器和一二次融合成套设备施加一次电压，FTU采集互感器二次端输出的信号，互感器测试仪采集标准互感器和FTU输入端的电压以及经信号转换装置后FTU的输出信号，从而计算比差和相差，计算方法分别如式（1）、（2）所示；雷电冲击电压发生器对断路器端子施加冲击电压，同时向信号转换装置和互感器测试仪发出同步信号以达到同时测量的目的。
.png)
其中，f为互感器比差；Kn为电压互感器的额定变比值；Us为电压互感器二次侧电压的方均根值；Up为标准电压互感器电压的方均根值；Ф为互感器相差；Фs为互感器相位移；Фp为标准互感器相位移。根据国家标准GB3906—2006和DL／T593对10kV断路器冲击电压试验的要求，相对于地、相间和断口间应该经受75kV、85kV的雷电冲击电压试验，这为试验中雷电冲击电压选取提供了标准，因此本文试验中对一二次融合成套开关设备的断路器端子处施加的雷电冲击电压从20kV开始以10kV为梯度递增至最高值70kV，每组试验进行5次，以测试雷电冲击电压对设备采集准确度的影响。
2影响因素的分析
2.1影响因素
定位雷电冲击电压施加到断路器端子上相当于雷电冲击电压施加在互感器一次侧，在施加时刻使一次侧标准电网电压波形产生畸变，这是引起一次侧互感器准确度下降的原因之一；雷电冲击电压产生的电磁干扰通过引线传导和空间辐射方式对FTU采集单元也产生较大的干扰。一二次融合试验样品的互感器二次侧输出有效值为100V，再经FTU内部互感器转化为峰值2.5V的交流信号，AD采集芯片采集交流电压信号传输给控制器，该样品使用的AD芯片为AD7606，采用DC2.5V基准电压源。，其中电源电压输入为DC24V，保护电路防止电磁干扰从电源端进入，隔离电源将DC24V转换为DC5V，为信号调理电路、AD转换器、控制器、网络模块等提供电源，ADR421将DC5V电源转换为DC2.5V为AD芯片提供基准电压源。由FTU采集原理分析可知，采集电压是以基准电压为参考而得到的，基准电压的稳定是采集精度的保证，雷电冲击电压产生的电磁干扰会通过互感器导线传导和空间辐射方式对FTU产生瞬态过电压，导致FTU采集模块基准电压波动。为进一步确定干扰位置，对FTU互感器二次电压信号和FTU内部AD芯片的参考电压进行采集。为避免雷电冲击电压产生的电磁干扰对测量装置的影响，保证测量的准确性，需要研制一种抗干扰测量系统。
2.2抗干扰测量系统
抗干扰测量系统主要由屏蔽箱、数字存储示波器、逆变器、锂电池、光电转换模块、计算机等构成，示波器采集高压探头的电压输出量，示波器采集到的波形通过串口经光电转换模块传输到计算机，由于雷电冲击电压会产生复杂的电磁干扰环境，测量系统的抗干扰能力是系统设计的主要难点。测量系统为屏蔽雷电冲击电压产生的电磁干扰对示波器的影响，除高压探头外所有的设备都放置到屏蔽箱内，并使用电池独立供电。屏蔽箱体可以屏蔽外部的电磁干扰进入箱内，干扰示波器测量端口信号；逆变器和电池组成的供电系统可以避免空间电磁干扰沿外部电源线传导到示波器内。高压探头及其电缆采用编织网形成整体性屏蔽，高压探头对于无法直接测量的位置，采取屏蔽引线连接至电压测量点处，屏蔽引线的长度应尽可能短，以减弱导线的电感和电阻带来的影响。为减弱空间电磁干扰对示波器信号采集线路的影响，在屏蔽箱内加装光电转换装置，将示波器测量的电信号转换为光信号后，由光纤传输至远端的测量控制平台，再次经光电转换后，成为计算机可以识别控制的电信号。
2.3测试结果分析
对一二次融合成套开关设备进行40kV雷电冲击电压干扰试验，使用测量系统对FTU的互感器二次电压信号输入端和FTU内部AD芯片的参考电压进行采集，典型波形如图所示。综上所述，这种干扰波形为典型的电磁干扰波形图，在雷电冲击电压的瞬间会在二次侧耦合一个高频的阻尼振荡波，波形持续时间特别短暂，干扰幅值特别大。
结束语：
（1）雷电冲击电压会导致一二次融合成套设备的测量准确度下降，随着雷电冲击电压幅值增加，测量准确度误差不断扩大，雷电冲击电压达到40kV以上时超出国家电网对一二次融合成套开关设备的准确度要求。
（2）雷电冲击电压波形会与互感器二次侧波形发生叠加，导致互感器二次侧信号波形畸变。雷电冲击电压发生时会产生强烈的电磁干扰，通过电缆传导到二次侧耦合出一个高频阻尼振荡波，幅值可达到几千伏，频率在几MHz至30MHz之间，其在基准电压端产生的干扰信号对FTU的AD采集模块的采集准确度产生较大影响。
（3）在基准电压端口增加TVS保护措施，可以将干扰信号强度降至原来的70%左右，比差和相差受干扰程度降至原来的80%左右；在此基础上进一步在互感器二次侧增加滤波装置，则可将干扰信号强度降至原来的20%左右，比差和相差受干扰程度降至原来的40%左右，测量准确度得到了较好的提升。
参考文献：
[1]孙鹏宇,江渝,张晨萌,谢施君,王鑫,王涛.非标准雷电冲击电压模拟技术研究[J].四川电力技术,2019,42(04):24-27+53.
[2]靳宇晖,师泯夏,胡德贵,张哲铭,孙泽明,李军浩.正极性振荡型雷电冲击电压下的油纸绝缘沿面闪络特性[J].高电压技术,2019,45(06):1775-1782.
[3]马义刚,刘磊,王卫,刘世增,郭纯海,文文,赵贤根.正极性雷电冲击电压下5m棒-板空气间隙放电特性试验研究[J].南方电网技术,2019,13(06):30-36.
[4]赵鹏,赵健康,陈铮铮,欧阳本红,刘松华,罗天鸣,郑新龙.直流叠加雷电冲击电压下±320kV直流电缆整体预制式接头典型故障机理分析[J].高电压技术,2019,45(12):3964-3969.
[5]马建桥,律方成,谷山强,汪佛池,张相宁,田铭兴.绝缘护层对动车组电缆连接器雷电冲击闪络电压的影响分析[J].铁道学报,2018,40(11):48-54.
[6]吴其,刘晓明,杨田,常越,张姝.雷电冲击电压下GIS瞬时绝缘数值分析方法[J].高电压技术,2018,44(12):4098-4104.